Radioaallot

Question: Kuka löysi radioaallot?


Radioaallot ovat taajuusalueen 3Hz – 300GHz sähkömagneettista säteilyä ja siten osa sähkömagneettista spektriä. Radioaaltojen välityksellä voidaan välittää esimerkiksi radio- ja tv-lähetyksiä ja käyttää matkapuhelinta. Myös tutka ja mikroaaltouuni toimivat radioaalloilla. Luonnolliset säteilylähteet, kuten Aurinko ja pulsarit, tuottavat myös radiotaajuusalueen säteilyä.[1]
Radioaallot etenevät tyhjiössä sekä taajuudesta riippuen myös väliaineissa, muun muassa ilmassa. Radioaaltojen etenemisnopeus riippuu väliaineesta. Tyhjiössä radioaallot etenevät valonnopeudella. Niiden aallonpituus saadaan jakamalla radioaallon nopeus sen taajuudella.
Radioaaltojen synty
Oletetaan, että kahden pisteen väliin on kytketty sähköinen jännite. Jännite katkaistaan hyvin nopeasti. Sähkökenttä alkaa hävitä, mutta sen muuttuminen synnyttää magneettikentän. Jos väliaine on häviötöntä, kaikki sähkökenttään varastoitunut energia muuttuu magneettikentäksi. Kun sähkökenttä on hävinnyt, magneettikenttä on saavuttanut maksimiarvonsa ja alkaa vuorostaan hävitä. Tämä synnyttää taas sähkökentän ja prosessi toistuu jaksollisesti. Näin syntynyt sähkömagneettinen kenttä leviää ympäristöönsä valon nopeudella. Myös valo on sähkömagneettinen aalto.
Käytännössä radioaalto synnytetään johtamalla suuritaajuinen sähkövirta antenniin, joka siirtää energian radioaaltoina etenevään sähkömagneettiseen kenttään.
Taajuusalueet

Taajuutensa perusteella radioaallot jaetaan seuraaviin taajuusalueisiin:
ELF, extremely low frequency: 3–30 Hz[2]
SLF, super low frequency: 30–300 Hz[2]
ULF, ultra low frequency: 0,3–3 kHz[2]
VLF, very low frequency, hyvin pienet taajuudet[3], 3–30 kHz
LF, low frequency, pienet taajuudet[3], 30–300 kHz
MF, medium frequency, keskitaajuudet[3], 0,3–3 MHz
HF, high frequency, suuret taajuudet[3], 3–30 MHz
VHF, very high frequency, hyvin suuret taajuudet[3], 30–300 MHz; näihin kuuluvat myös ULA-aallot
UHF, ultra high frequency, 0,3–3 GHz; näitä ja vielä suuritaajuisempia radioaaltoja nimitetään myös mikroaalloiksi
SHF, super high frequency, 3–30 GHz
EHF, extremely high frequency, 30–300 GHz
Vastaavat aallonpituudet saadaan jakamalla valonnopeus, joka on noin 300 000km/s, taajuudella. Niinpä esimerkiksi ELF-aaltojen aallonpituus on välillä 10000–100000 km, MF-aaltojen välillä 100 m–1 km ja EHF-aaltojen välillä 1–10 mm.
Kuinka suuri on suurtaajuus?
Radioaallon suurtaajuuden käsite on suhteellinen ja se riippuu siihen mihin sitä verrataan. Siten esim. jo 50 Hz signaalin käsittelyssä voidaan joutua suurtaajuustekniikan ja -termistön kanssa tekemisiin: aallonpituus (ilmassa 6000 km) on valtakunnan laajuisen verkon suuruusluokkaa. Edelleen PCM-tekniikan siirtonopeus 139 Mb/s voidaan usein käsittää suurtaajuudeksi. Koska 139 Mb/s signaali on kantikasta, on signaalin vaatima taajuuskaista useita satoja megahertsejä. Aallonpituus väliaineessa (~johdin, eriste tms.) on aina pienempi kuin ilmassa ja suurtaajuiset sähkömagneettiset kentät ovat samanlaista sähkömagneettista säteilyä kuin näkyvä valo. Englannin kielisen kirjallisuuden mukaan radioaallot () ovat yleensä pidempiä kuin mikroaallot (); suomenkielinen termi suurtaajuus, on kuvaavampi. Millimetriaallot () ovat suurtaajuuksia, joiden aallonpituus on millimetriluokkaa; millimetriaallot luokitellaan usein mikroaaltoihin kuuluvaksi.
ELF (extremely low frequency 3–30 Hz)
ELF-aaltojen (Extremely low frequency) taajuus on välillä 3–30 Hz ja aallonpituus välillä 10000–100000 kilometriä.[2]
ELF-aallot etenevät pinta-aaltona useita tuhansia kilometrejä. Niitä käytetään pääasiassa sotilaallisiin tarkoituksiin, joissa niillä on kaksi etua: ne tunkeutuvat kohtuullisesti veteen ja toiseksi ydin­räjähdykset ilmakehässä eivät häiritse kyseessä olevia yhteyksiä. Näistä syistä ne sopivat erittäin hyvin strategisten ydinsukellusveneiden yhteysvälineiksi. Ongelmia ovat pieni tiedonsiirtokapasiteetti ja suuret antennit (aallonpituus 10000–100000 km).
SLF (super low frequency 30–300 Hz)
SLF-aaltojen aallonpituus 1000–10000 km.[2]
ULF (ultra low frequency 0,3–3 kHz)
ULF-aaltojen aallonpituus 100–1000 km.[2]
VLF (very low frequency 3–30 kHz)
VLF-aaltojen (very low frequency, hyvin pienet taajuudet) aallonpituus on välillä 10–100 km.[3][4] Koska aaltoalue alkaa kymmenestä kilometristä, on aaltoaluetta kutsuttu suomeksi myös peninkulma-aalloiksi.[3].
VLF-alueella radioaallot etenevät pinta-aaltona tuhansia kilometrejä, eivätkä ydinräjähdykset vaikuta niihin merkittävästi. Toisaalta tunkeutuminen veteen on heikkoa. Vastaavasti tiedonsiirtokapasiteetti kasvaa.
LF (low frequency 30–300 kHz)
Low frequency- eli LF-aallot (pienet taajuudet, aallonpituus 1–10 km. Ne ovat pisimpiä radioaaltoja, joita käytetään myös yleisradiolähetyksiin, nimittäin AM-lähetyksiin pitkillä aalloilla (148,5–283,5 kHz).[4]
Näitäkin aaltoja käytetään myös sotilaallisiin tarkoituksiin. Ne etenevät pinta-aaltona 900–1700 km. Antennit ovat kohtuullisen kokoisia, mutta tunkeutuminen veteen on erittäin pientä. Samoin niihin ei voida vaikuttaa ydinräjähteillä. Tästä syystä ne soveltuvat muun muassa yhteyksiin, ydinpommittajiin ja alusyksiköihin. Aaltoaluetta on kutsuttu myös kilometriaalloiksi.[3]
Tällä alueella on myös ääniyleisradiolähetyksiä (AM-pitkäaaltolähetykset).
MF (medium frequency 0,3–3 MHz)
MF-alueella eli keskitaajuusalueella[3] aallon­pituus on välillä 100 m – 1 km.
MF-alueella radioaallot etenevät pinta-aaltona lyhyehkön matkan (400 km), mutta tiedonsiirtokapasiteetti on edelleen pieni. Tästä syystä tämän alueen sotilaallinen merkitys on pieni. Alueelta löytyy suuritehoinen LORAN-suunnistusjärjestelmä ja paljon yleisradioasemia (AM-keskiaaltolähetykset, 526,5–1606,5 kHz).[4] Aaltoaluetta on kutsuttu myös hehtometriaalloiksi.[3]
HF (high frequency 3–30 MHz)
HF-aaltojen aallonpituus välillä 10–100 m.
HF-alueen erikoisuus on lyhyen (noin 50 km, meren yli pidempi) pinta-aallon lisäksi avaruusaalto. Ilmakehässä on 100–300 kilometrin korkeudessa ionisoituneita kerroksia, jotka heijastavat HF-alueen radioaaltoja. Tällöin saadaan muutaman watin teholla yhteyksiä jopa maapallon toiselle puolelle. Sotilaallisina ongelmina on kaukoyhteyksien herkkyys ilmakehän ydinräjähdyksille sekä heijastavien kerrosten vaihtelut vuorokauden, vuodenajan sekä auringonpilkkurytmin mukaan. Tämä tekee yhteyden varman saannin kahden pisteen välillä ammattitaitoa vaativaksi tehtäväksi. Lisäksi avaruusaalto tarkoittaa, että periaatteessa kaikki maailman samalla taajuudella olevat HF-radiot ovat kuultavissa lähes joka paikkaan. HF-alue on siis globaalissa mittakaavassa täynnä.
HF-alueen erikoiskäyttö on ns. OTH-tutka (Over The Horizon -tutka). Lähettämällä HF-alueen radiopulssi tutkan kantama voidaan kasvattaa muutamaan tuhanteen kilometriin. Ongelmina ovat suuren antennin ja tehon tarve sekä kansainväliset häiriöt HF-alueella. OTH-tutkia on kokeiltu pitkään muun muassa USA:ssa, Neuvostoliitossa ja Australiassa.
Tällä alueella on myös ääniyleisradiolähetyksiä (AM-lyhytaaltolähetyksiä). Aluetta on kutsuttu myös dekametriaalloiksi.[3]
VHF (very high frequency 30–300 MHz)
VHF-aaltojen aallonpituus on välillä 1–10 m. VHF-alueella radioaallot etenevät pääosin suoran säteilyn perusteella. Avoimessa maastossa yhteysvälin pituuteen vaikuttavat säteilytehon lisäksi sekä vastaanotto- että lähetysantennin korkeus maanpinnasta. Kuuluvuussäde maanpinnalla voi siis ulottua käytännössä muutamista kilometreistä noin 100 kilometriin. Satelliittiyhteyksissä etäisyys voi luonnollisesti olla paljon suurempikin. Yleensä ionosfääri läpäisee VHF-taajuisen radioaallon, joten yhteys on mahdollinen satelliitin ja maan välillä. Maksimi etenemisetäisyyttä voi arvioida laskemalla radiohorisontti. Jos sekä lähetin- että vastaanotinantenni ovat metrin korkeudella, saadaan teoreettiseksi yhteysväliksi noin 8 km. Jos lähetinantenni nostetaan 100 m korkeudelle, radiohorisontti siirtyy noin 40 km etäisyydelle. Muita etenemistapoja tällä alueella ovat pinta-aalto, lyhyt avaruusaalto ja meteorisironta, kaikki aaltoalueen alapäässä. Alue mahdollistaa suuren tiedonsiirtokapasiteetin (teoreettisesti esimerkiksi 10800 kappaletta 25 kHz:n puheradiokanavia), ja antenni on kohtuullisen kokoinen liikkuvaankin käyttöön (aallonpituus 1–10 m). Ongelmia ovat lähinnä maaston vaikutus maavoimien ja merivoimien toiminnassa. Tyypilliset puheradioiden sotilastaajuudet sijoittuvat aallonpituuksille 30–80 MHz. Metsän lisävaimennus alkaa myös VHF-alueen alapäästä. Käytännössä pitkien yhteyksien saaminen metsän sisällä on koko VHF-alueella alapäästä alkaen mahdotonta. Aaltoaluetta on kutsuttu myös metriaalloiksi.[3]
Tälle alueelle sijoittuvat myös televisio- ja yleisradiokäytössä olevat alueet VHF I, ULA ja VHF III. Aaltoalueelle sijoittuu myös IEEE:n Std-521-1976:n mukainen tutkataajuus­alue 0,03–0,3 GHz.[3]
ULA-aallot
VHF-alueelle sijoittuvat myös ULA-aallot eli ultralyhyet aallot. Niitä käytetään paljon yleis­radio­lähetyksiin. Tarkoitukseen on varattu taajuusalue 87,5–108,0 MHz.
Suomessa ULA-aaltojen käytöstä määrätään liikenne- ja viestintäministeriön asetuksella, joista viimeinen on annettu 23. kesäkuuta 2010 voimaan astuvaksi 1. elokuuta 2010 alkaen. Siinä yleisradioasemien taajuudet on määritelty radiotaajuuksien käyttösuunnitelman perusteella kymmenessä taajuuskokonaisuudessa, minkä lisäksi on määrätty alueellisen ja paikallisen toimiluvanvaraisen radiotoiminnan käyttämät taajuudet.[5]
Yleisradion lähetyksistä vastasi Yleisradion jakelutekniikka, ennen kuin lähetykset siirrettiin Digita Oy:n hoidettaviksi. Vuosien aikana lähetystaajuudet ovat muuttuneet ja Yleisradion lähetysten lisäksi on tullut myös kaupallisten paikallisradioiden lähetyksiä. Joistain lähetysasemista on luovuttu. Alussa Yleisradion jakelutekniikka välitti Yleisradion yleisohjelmaa, tätä viihteellisempää Rinnakkaisohjelmaa ja ruotsinkielistä ohjelmaa. Sitten neljänneksi ja viidenneksi ohjelmalajiksi tulivat Yleisradion paikallisohjelmat, joita lähetettiin Espoosta kahdella kanavalla sekä Tampereelta ja Turusta yhdellä kanavalla.
Jakelutekniikan verkon kehityksessä on keskimääräistä pienempiä lähetysasemia poistettu käytöstä, lähetystehoja lisätty sekä muutettu yksikanavaiset monofoniset lähetykset kaksikanavaisiksi stereofonisiksi lähetyksiksi.
UHF (ultra high frequency 0,3–3 GHz)
UHF-aaltojen aallonpituus 10 cm – 1 m. Niitä sekä vielä lyhempiä SHF- ja EHF-aaltoja nimitetään myös mikroaalloiksi.
UHF-alueella radioaallot etenevät suoran etenemisen mukaan. Maasto vaikuttaa voimakkaasti esteenä. Yhteyden on oltava lähes näköyhteys antennista toiseen. Aluetta käytetään myös satelliittiyhteyksiin. Suuri kapasiteetti tekee alueesta hyvän monikanavaisten linkkijärjestelmien alueen. Antennit voidaan rakentaa voimakkaasti suuntaaviksi, mutta kohtuullisen kokoisiksi. Niitä on myös käytettävä, jotta saataisiin edes muutamia kilometrejä pidempiä yhteysetäisyyksiä. Suuntaavien antennien käyttö liikkuvissa järjestelmissä on vaikeaa. Tämä rajoittaa UHF-alueen lähinnä siirrettäviin tai kiinteisiin yhteyksiin. Aluetta käytetään myös ilmasta–ilmaan, ilmasta–maahan ja maasta–ilmaan-yhteyksiin.
Tällä taajuudella on myös ISM-taajuusalue (Industrial, Scientific and Medical), jonka käyttö ei vaadi erillistä lupaa.
Tälle alueelle sijoittuu myös television UHF-alue.
Mikroaaltouuni käyttää ruoan lämmittämiseen yleensä 2,4 GHz mikroaaltoja. Aaltoalueelle sijoittuu myös IEEE:n Std-521-1976:n mukainen tutkataajuusalue 0,3–1 GHz.[3]
Aaltoaluetta on kutsuttu myös desimetriaalloiksi.[3]
SHF (super high frequency 3–30 GHz)
SHF-alueella radioaallot etenevät suoran etenemisen mallin mukaan. Antennien välillä on oltava näköyhteys. Aallonpituus on 1–10 cm, eli antennit saadaan erittäin pieniksi tai kohtuullisella antennilla, halkaisija metriluokkaa, saadaan erittäin suuria vahvistuksia. Tällöin säteily suuntautuu pieneen tilaan. Tämä tekee muun muassa tutkan mahdolliseksi. Samalla kyseisen suuren vahvistuksen antavat antennit ovat tämän aaltoalueen yhteyksien edellytys. Tästä syntyy taas vaikeus etenkin siirtyvässä käytössä suunnata antenni vasta-asemaan.
Suuntaaviin antenneihin perustuvien linkkien havaitseminen, kuuntelu ja häirintä on suuntaavien antennien vuoksi erittäin vaikeaa. Muun muassa Yhdysvaltojen MSE-viestijärjestelmä käyttää 15 GHz:n lyhyen kantaman (n. 8 km) linkkejä (Down The Hill) esikunnan ja korkeammalla olevan alueellisen viestikeskuksen tai kaukolinkin välillä.
Alueen alapäätä (3–5 GHz) käytetään myös ns. troposfäärisirontayhteyteen eli tropolinkeissä. Tämä yhteys perustuu alle 10 kilometrin korkeudessa oleviin ilmakehän pyörteisiin ja muihin epätasaisuuksiin, jotka sirottavat niihin osuvan SHF-alueen säteilyn.
Sää alkaa vaikuttaa ensimmäisen kerran tällä alueella, lähinnä sateen muodossa. Voimakas sade vaimentaa sähkömagneettista säteilyä niin paljon, että yhteys saattaa katketa.
Aaltoaluetta on kutsuttu myös senttimetriaalloiksi.[3]
EHF (extremely high frequency 30–300 GHz)
EHF-alueella aallonpituus on 1–10 mm. Tästä alueen toinen nimi: millimetrialue. Voimakkaasti suuntaava antenni on mahdollista saada erittäin pieneen tilaan. Tämä tekee täsmäaseisiin (ammuksiin) sijoitetut aktiiviset (ja passiiviset) tutkahakupäät mahdollisiksi. Alueen radioaaltojen etenemistä vaikeuttavat merkittävästi sääilmiöt, lähinnä sade. Myös perusvaimennus ilmakehässä on niin suuri, että lähinnä vain tietyt ikkuna-alueet soveltuvat esimerkiksi viestinsiirtoon.
Sähkömagneettisen spektrin ensimmäinen suuri ilmakehän aiheuttama lisävaimennus on 60 GHz:n kohdalla. Sitä voidaan käyttää myös hyödyksi. Kyseisellä alueella toimivat yhteydet jäävät lyhyiksi (muutama kilometri), mutta samalla niiden havaitseminen, kuuntelu ja häirintä on lähialuetta lukuun ottamatta lähes mahdotonta. Lisäksi tällä alueella olevat yhteydet eivät häiritse merkittävästi toisiaan.
Alueen käyttökelpoisuutta lisää ratkaisevasti mikropiirien valmistuksen siirtyminen 1980-luvun lopulla kyseiselle alueelle (vrt. MIMIC).
Aaltoaluetta on kutsuttu välillä 30–300 GHz millimetriaalloiksi ja välillä 300–3 000 GHz desimillimetriaalloiksi, terasäteiksi tai alimillimetrialueeksi.[3]
Katso myös
Heinrich Hertz
Guglielmo Marconi
Nikola Tesla
Radio
Radiopuhelin
DX-kuuntelu
Radioamatööri
Radiotekniikka
Säteilyturvallisuus
Sähkömagneettinen yhteensopivuus
Optinen datansiirto vapaassa tilassa
Terasäde
Lähteet

Kirjallisuutta
Citation error, replace with{{cite book| author = Lehto, Arto| title = Radioaaltojen maailma| location = Helsinki| publisher = Otatieto| year = 2006| id = ISBN 951-672-350-0}}
Citation error, replace with{{cite book| author = Lindell, Ismo| title = Radioaaltojen eteneminen| location = Helsinki| publisher = Otatieto| year = 2000 (1985)| id = ISBN 951-672-227-X}}
Citation error, replace with{{cite book| author = Granlund, Kai| title = Langaton tiedonsiirto| location = Jyväskylä| publisher = Docundo Finland| year = 2001| id = ISBN 951-846-091-4}}
Aiheesta muualla


Luokka:Radiotekniikka
Luokka:Sähkömagneettinen säteily
Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit